密排加糙床面消力池自由水跃跃长计算

水跃长度作为消力池设计的重要参数,对消力池安全稳定以及经济合理的影响效果显著。通过建立水跃区水体质点的运动方程,研究密排加糙床面消力池水跃旋滚长度和水跃长度的变化规律,提出了水跃旋滚长度和水跃长度计算的理论方法,并根据已有文献的试验数据对所推公式涉及的物理参数进行率定。计算研究结果表明,密排加糙床面消力池水跃旋滚长度和水跃长度均随跃前断面弗劳德数、跃前断面水深和水跃共轭水深比的增大而增大,随着床面当量粗糙高度的增加而减小。经验证发现,水跃旋滚长度和水跃长度的计算值与实测值接近。     

加糙消力池共轭水深和水跃长度的试验分析

在总结国内外加糙消力池水力特性研究的基础上,给出密排加糙消力池的共轭水深和水跃长度的计算方法.根据W-S-Hughes等对密排加糙消力池共轭水深和水跃长度的试验资料,利用量纲和谐原理研究密排加糙消力池的水跃方程和水跃长度随弗劳德数、跃前断面水深、跃后断面水深和壁面粗糙度的变化规律.结果表明:密排加糙消力池的共轭水深随着跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着壁面粗糙度的增大而减小;水跃长度也是跃前和跃后断面水深、跃前断面弗劳德数和壁面粗糙度的函数;水跃区的消能率随着壁面粗糙度的增加而增加.提出了密排加糙消力池共轭水深和水跃长度的计算式,并用其他学者已有试验资料验证了计算式的可靠性.     

突扩式水跃跃长的计算公式推导与验证

水跃长度为突扩式消力池设计的重要参数,对消力池安全稳定以及经济合理的影响效果显著。通过建立水跃区水体质点的运动方程,研究突扩式消力池水跃跃长的变化规律。提出了突扩式水跃跃长的半理论公式,并用已有文献的实测数据对其进行验证。研究表明突扩式消力池水跃长度是跃前断面弗劳德数、跃前断面平均水深、水跃共轭水深比和消力池突扩比的函数,并随着跃前断面弗劳德数、跃前断面平均水深和水跃共轭水深比的增大而增大。结果显示,公式计算的突扩式水跃长度平均误差为4.32%,在5种体形共48组工况下只有5组工况的水跃长度相对误差>10%,且最大相对误差为-12.52%,其余工况下相对误差均<10%。     

考虑壁面阻力水跃共轭水深的计算方法

根据前人对附壁射流区流速分布和壁面切应力的研究成果,通过边界层的动量积分方程研究水跃区的边界层发展和壁面阻力系数的计算方法,通过动量方程研究考虑壁面阻力时的水跃共轭水深的计算方法。研究表明:水跃区的边界层厚度沿程增加;壁面阻力系数是水跃旋滚长度、跃前断面水深和弗劳德数以及水流运动黏滞系数的函数;水跃共轭水深比是跃前断面弗劳德数和壁面阻力系数的函数。提出了水跃区水流边界层发展、水跃旋滚长度和壁面阻力系数的计算公式,并将壁面阻力系数用于计算水跃的共轭水深。通过F.G.Carollo和W.C.Hughes的试验资料对公式进行验证,证明提出的公式形式合理、考虑参数全面、计算简单、具有足够的精度。     

矩形明渠消力池水跃的水头损失研究

为了研究沿程水头损失与局部水头损失的变化规律,根据沿程水头损失的基本定义,推求矩形明渠消力池水跃区沿程水头损失与床面阻力系数、水跃共轭水深比、跃前断面宽高比及跃前断面水深的理论关系,提出了矩形明渠水跃区沿程水头损失及其系数和局部水头损失系数的理论公式,给出了沿程水头损失系数、局部水头损失系数和总水头损失系数的简单拟合公式。研究表明:沿程水头损失随着跃前断面水深和床面阻力系数的增大而增大,随着水跃共轭水深比和跃前断面宽高比的增大而减小;局部水头损失系数随着跃前断面弗劳德数的增大而增大;水跃区局部水头损失占比随着弗劳德数的增加而增加,弗劳德数为3时的局部水头损失占比达到90%,弗劳德数为6时的局部水头损失占比已达到95%以上。研究成果可进一步完善并丰富水跃理论体系。     

突扩式消力池R型水跃的长度特征分析

根据已有文献对突扩式消力池R型水跃的试验成果,分析突扩式消力池R型水跃主要特征长度—回流扩散段水平长度、射流长度及旋滚长度的变化规律。研究表明,回流段水平长度是扩散出口断面弗劳德数和消力池上下游断面宽度差的函数;相对射流长度随出流扩散断面弗劳德数的增大而增大,随消力池突扩比的增大而减下;水跃旋滚长度随扩散出口断面弗劳德数和扩散出口断面水深的增大而增大,随消力池突扩比、跃后断面水深与扩散出口断面水深比的增大而减小。提出了R型水跃射流长度及旋滚长度的计算公式,并用已有文献资料进行了验证。     

矩形明渠粗糙壁面消力池的水力计算

根据消力池水力计算的基本方程,利用文献[14]对粗糙壁面水跃共轭水深和水跃长度的研究成果,研究粗糙壁面消力池深度和消力坎高度的水力计算方法。给出了粗糙壁面挖深式消力池深度和消力坎式消力池高度的计算公式和计算步骤,通过算例说明了计算过程。研究表明,与一般传统的消力池相比较,粗糙壁面消力池的深度、长度、消力坎的高度和跃后水深均有较大幅度的减小,消能效果提高,值得在工程中推广应用。     

基于SPH法的正弦形消力池底板水跃现象数值模拟

利用光滑质点水动力学法(SPH方法)对正弦形消力池底板上的水跃现象进行数值建模,共模拟2种波形5种工况。将SPH方法的模拟值与已有文献的试验值作对比,验证数值模型及数值方法研究此类问题的可行性和适用性,并分析水面线、流速分布、跃长、共轭水深、消能率等水跃特性的变化规律。结果表明:SPH方法模拟结果与试验结果吻合度较高;水跃段流速分布不均匀、自由表面波动较大,且流层间存在相对运动从而形成旋滚,同等条件下随着弗劳德数的递增,掺气量和自由表面破碎现象越来越剧烈,旋滚的影响范围逐渐变大;正弦形底板消能率较光滑底板提高10%左右且所有工况消能率均在47%以上。     

R型水跃局部水头损失系数与跃后水深的计算

通过能量方程研究R型突扩水跃局部水头损失系数,完善水跃跃后水深计算的理论方法,为消力池跃后水深的计算提供新的思路。通过建立消力池出口扩散断面和跃后断面的能量方程,分析R型突扩水跃局部水头损失系数和水跃水深比的变化规律。结果发现:R型水跃相对局部水头损失系数是突然扩散断面弗劳德数和消力池突扩比的函数;相对局部水头损失系数既服从线性分布,又服从乘幂分布;水跃水深比是跃前断面弗劳德数和消力池突扩比的函数。提出了局部水头损失系数和水跃水深比的计算公式,并分别对其进行了验证。     

渐扩式水跃跃后水深的计算

分析渐扩式水跃局部阻力系数随一般二元水跃局部阻力系数变化的规律,利用能量方程推导渐扩式水跃跃后水深的计算公式,得出了渐扩式水跃新的计算方法和跃后水深新公式,通过实际工程和已有公式对其正确性进行了验证。分析认为,在工程应用范围内(扩散角θ9°),渐扩式水跃局部阻力系数与二元水跃局部阻力系数呈对数关系;提出的共轭水深新公式能满足工程运用要求,并且计算的跃后水深随着跃前断面弗劳德数的增大与已有公式计算的跃后水深值的偏离程度逐渐减小。     

地震作用下重力式码头地基液化及变形

我国现行码头抗震设计规范采用的单水准抗震设计方法,不能反映不同地震烈度时的抗震性能.采用有限差分软件FLAC 3D,对重力式码头的地震响应和地基状况进行了分析计算,研究重力式码头在不同强度地震作用下地基的超孔隙水压力、超孔压比和码头位移,并用国际航运协会码头结构抗震设计指南所规定的性能设计准则进行了评判.计算表明,在强度较小地震作用下,所分析的重力式码头结构和地基的破坏程度较小,不影响结构的正常使用.在较强地震作用下,沉箱底部置换砂超孔压比增幅较小,置换砂并未液化;码头陆侧回填土层超孔压比增幅较大,回填土层在加速度峰值增加到0.2g后,在不同位置发生液化,沉箱水平及竖向位移在加速度峰值出现后急剧增大,最终导致重力式码头结构发生不同程度的破坏.     

反坡正弦波形底板上F型水跃水力特性的试验研究

试验研究了3个相对粗糙度（0.51、0.86、1.34)和6个坡度（?0.02、?0.03、?0.04、?0.05、?0.07、?0.10）对反坡正弦波形底板上F型水跃水力特性的影响。在弗劳德数从5到11的范围内,总共进行了57次试验。试验结果表明:与经典水跃和光滑底板上的F型水跃相比,反坡正弦波形底板能有效减小漩滚长度和共轭水深比,粗糙底板有利于稳定F型水跃。剖面速度分布对相对粗糙度比反坡坡度更敏感,坡度和相对粗糙度影响速度剖面的相似性和边界层厚度的发展。在距离F型水跃起始点40%漩滚长度附近,剖面速度分布最不均匀;在1.2倍的漩滚长度后,剖面动量修正系数基本上都接近1.0。反坡正弦波形底板的综合剪切应力系数是水平光滑床的10~16倍,这表明反坡正弦波形底板在短距离消能方面非常有效。     

Effect of sinusoidal corrugated bed on hydraulic jump characteristics

Hydraulic jump characteristics were studied experimentally over six corrugated beds with varying wave steepness, which had corrugation and Froude numbers in the range of 0.286–0.625 and 3.8–8.6, respectively. The effects of wave height and length of corrugation on the basic jump characteristics, including free surface location, velocity, shear stress distribution and energy dissipation, were studied for a range of Froude numbers. The dimensionless hydraulic parameters were found to be a function of the Froude number. The results showed that the tailwater depth and the length of the jump on corrugated beds are smaller than those of the corresponding jump on a smooth bed. The analysis of velocity profiles at different sections in the jump showed that the velocity profiles were similar to those of a simple plane wall jet. The normalized boundary layer thickness δ/b was equal to 0.57 for jumps on a corrugated bed, compared to 0.16 for the simple wall jet. The analysis and comparison of the bed shear force and shear stress coefficient showed that shear stress on a corrugated bed is about 10 times that of a smooth bed. The results of this study are in good agreement with previous results and showed that corrugated beds can be used to dissipate the excess hydraulic jump energy in stilling basins.     

Experimental and theoretical study of density jumps on smooth and rough beds

Hydraulic jumps in density currents are technically referred to density jumps. These jumps significantly influence the dynamic and quality characteristics of the gravity currents. The density jump is studied theoretically and experimentally in this study by considering the bed roughness. Experiments were performed in a rectangular laboratory flume (0.4 m width; 0.9 m depth; 8.3 m length). Four rough beds comprised of closely packed gravel particles glued onto the horizontal part of the bed were examined. For both smooth and rough beds, a simple relationship was obtained for estimating the conjugate depth ratio as a function of the relative roughness and the upstream densimetric Froude number. The conjugate depth ratio was found to decrease with increasing relative roughness. The results also indicated that, if the entrainment ratio is specified, the minimum value of the upstream densimetric Froude number increases with increasing relative bed roughness. An equation for calculating the maximum possible value of the relative roughness was also determined. The spatial development of the density current for smooth beds was analysed in both super‐critical and sub‐critical flow regimes. Good similarity collapses of velocity and concentration profiles were obtained for the super‐critical section just upstream of the jump. The concentration distributions located just downstream of the jump, however, exhibited a large scattering of measured data, especially near the bed. It was found that this scattering decreases with the distance from the end of the jump. The results of the experimental runs also indicated that, at a distance about nine times the post‐jump current thickness from the end of the jump, the non‐dimensional vertical profile of mean velocity has a shape similar to that at the pre‐jump section. A new reliable relationship was also proposed for calculating the local velocity inside both the wall and jet regions.